12.2. Топлива для авиационных газотурбинных двигателей

12.2.1. Общая характеристика авиационных топлив

Отечественные авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) рассчитаны на применение жидкого углеводородного топлива типа керосина, получаемого путем переработки нефти.

Керосины, как авиационные топлива, имеют важные преимущества в сравнении с другими принципиально возможными углеводородными топливами. Керосинам свойственна более высокая плотность и меньшая летучесть, чем бензинам и сжиженным газам; относительно высокая теплота сгорания и лучшие характеристики горения керосина, по сравнению с более тяжелым дизельным топливом. Выработка худших, чем нефтяные, синтетических углеводородных топлив из угля и сланцев считается одним из перспективных способов покрытия дефицита нефтяного сырья.

Топлива авиационных ГТД – их принято называть реактивными топливами – являются источником располагаемой энергии ЛА, расходуемой на осуществление полета. При сжигании топлива его химическая энергия превращается в тепловую и передается рабочему телу двигателя – потоку воздуха с примесью продуктов сгорания, а затем преобразуется двигателем в работу отбрасываемой струи газа, которая создает силу тяги.

Основное функциональное свойство реактивного топлива как источника энергии характеризуется количеством тепла, которое выделяется при сгорании 1кг топлива и химическим составом продуктов сгорания, который также влияет на тяговые показатели двигателя.

Теплота сгорания всех нефтяных топлив примерно одинакова и составляет 43000 кДж/кг. Теплотворная способность водорода 127000 кДж/кг.

Большие сверхзвуковые скорости современных боевых самолетов вызывают нагрев топлива в баках, что может вызвать изменение химического состава топлива, если оно не термостабильно.

Топливная аппаратура загрязняется твердыми смолистыми продуктами превращения нестабильных примесей, если они содержатся в топливе. При наличии в топливе легких углеводородов в магистралях могут появляться паровоздушные пробки, возникать кавитация, потери через дренаж.

Исходя из сказанного, основными характеристиками топлива являются: теплотворная способность, физическое состояние при различных температурах и давлениях, плотность, испаряемость, термостабильность.

В России применяются авиационные керосины умеренной термостабильности типа ТС-1 и термостабильные типа РТ, а на некоторых типах самолетов более тяжелые термостабильные топлива Т-6 и Т-8В. В США применяют главным образом смесь авиационных керосинов с бензином (широкофракционное топливо типа УР-4).

12.2.2. Условия применения реактивного топлива и требования к нему

Основой требований к реактивным топливам являются условия их применения, определяемые устройством, режимами работы и материалами топливных систем, газового тракта, а также внешними факторами. Минимальная температура топлива, определяемая климатическими условиями и охлаждением топлива в дозвуковом полете на большой высоте, около –60^оС. В сверхзвуковом полете топливо может нагреться в баках и теплообменниках до 100-200^оС, что способствует потерям топлива от испарения через дренаж, возникновению кавитации в топливной системе самолета и двигателя, паровоздушных пробок, перебоев в работе подкачивающих и перекачивающих насосов, а также окислению содержащихся в топливе нетермостабильных веществ с образованием твердых и смолистых осадков. Переходящий в надтопливное пространство баков при наборе высоты растворенный кислород увеличивает пожарную опасность в случае боевых повреждений или разрядов статического электричества, а при нагреве выше 200^оС создается опасность самовоспламенения паров топлива в баках ЛА. Фильтр низкого давления в топливной системе ГТД служит для защиты насосов и регуляторов подачи топлива от твердых частиц, случайно появившихся в топливной системе ЛА извне или вследствие износа. Применение топлива, загрязненного механическими примесями, содержащего кристаллы льда или воду, приводит к забиванию фильтра, снижению его пропускной способности и отказу в работе двигателя.

Топливная аппаратура ГТД выполнена по высокому классу точности, с зазорами порядка 7-10 мкм, с каналами сечением в десятые доли миллиметра. Даже небольшие отложения и коррозия могут нарушить ее нормальную работу. Работа агрегатов топливной аппаратуры зависит также от вязкости топлива. Повышенная вязкость при низкой температуре приводит к большим нагрузкам насоса, может замедлить работу некоторых регулирующих устройств, ухудшает распыл топлива форсунками. С укрупнением капель замедляются прогрев и испарения топлива, впрыснутого в камеру сгорания, снижается полнота сгорания, ухудшается запуск, усиливается саже- и нагарообразование. Смазочные свойства топлива мало зависят от вязкости; определяющим фактором является наличие в топливе ПАВ (поверхностно-активные вещества).

Условия для осуществления процесса горения в ГТД достаточно благоприятны, чтобы не предъявлять особых требований к испаряемости топлива. Впрыскиваемое в камеру сгорания топлива попадает в поток сжатого воздуха с температурой 300-500^оС или же в еще более горячие продукты сгорания, подсасываемые в сторону форсунки, быстро испаряется, перемешивается с воздухом и поджигается горячими газами. Менее благоприятны условия для испарения при запуске двигателя, так как в камеру сгорания поступает холодный воздух.

Детали газового тракта, даже при использовании самых совершенных способов их охлаждения, работают при температурах, близких к максимально допустимым для современных жаростойких материалов; из-за этого они весьма чувствительны к газовой коррозии и перегреву. Вредными для их надежности является присущее диффузионному механизму горения образование сажи в пламени, которое усиливается по мере увеличения давления в зоне горения с ростом степени повышения давления, а также при сверхзвуковых скоростях полета. Сажа вызывает ряд вредных последствий – усиление теплового излучения факела пламени, нагароотложение, науглероживание поверхности металлов и эмалей, это может привести к перегреву и разрушению камер сгорания и других узлов и деталей горячей части двигателя. Кроме того, она способствует повышению заметности ЛА в боевых условиях по дымному следу и инфракрасному излучению.

Применительно к нефтяным реактивным топливам требования выражаются в форме официально регламентированных показателей физико-химических свойств, а также некоторых эксплуатационных свойств.

Требования к свойствам, обеспечивающим рабочий процесс в камерах сгорания:

-вязкость при низкой температуре не более установленной нормы;

выкипание в пределах установленных температур.

Требования к свойствам, обеспечивающим летно-технические данные ЛА: плотность и теплота сгорания не менее установленной нормы;

начало кипения не ниже установленной температуры или давление насыщенного пара не более установленной нормы.

Требования к свойствам, влияющим на надежность топливной системы ЛА и топливной аппаратуры ГТД:

физическая однородность – отсутствие механических примесей (твердых включений) и эмульсионной воды или кристаллов льда, а также содержание установленного количества ПВК – присадки (зимой и при высотных дозвуковых полетах);

температура начала кристаллизации углеводородов не выше установленной нормы; давление насыщенного пара не выше установленной нормы (для топлив, содержащих бензиновые фракции);

достаточные смазочные свойства (оцениваются по износу топливной аппаратуры, а для топлив с противоизносной присадкой – по кислотности не менее установленной нормы);

неопасный уровень коррозионного действия на контактирующие с топливом металлы – массовая доля меркаптановой серы и кислотность не более установленной нормы и отсутствие сероводорода, свободной серы (по испытанию на медную пластинку), водорастворимых кислот и щелочей;

неопасный уровень действия на контактирующие с топливом неметаллические материалы – резину, пластмассы, герметики;

неопасное количество смолистых отложений на контактирующих с топливом поверхностях;

достаточная термостабильность.

Требования к свойствам, влияющим на надежность камер сгорания и деталей газового тракта:

отсутствие отложений на контактирующих с газами поверхностях;

ограниченное образование и невысокая интенсивность излучения дисперсного углерода (сажи);

высота некоптящего пламени, массовая доля ароматических углеводородов (которые считаются ответственными за нагаро- и сажеобразование) не более установленной нормы;

не опасный уровень газовой коррозии – общее содержание серы не более установленной нормы, отсутствие микропримесей ванадия, молибдена, окислы которых интенсифицируют газовую коррозию.

Требования к свойствам, влияющим на удобство и безопасность наземного обслуживания:

ограниченная огнеопасность – температура вспышки не ниже установленной нормы;

электрическая проводимость в пределах установленных норм (для топлив с антистатической присадкой);

невысокий уровень токсичности жидкого топлива, его паров и продуктов сгорания.

Реальные топлива, как правило, не обладают всем комплексом желательных свойств. Сами свойства определяются только химическим составом и, следовательно, обусловлены сортом нефти, технологией ее переработки, присадками.

12.2.3. Сорта реактивных топлив

Самолеты и вертолеты с газотурбинными двигателями – наиболее массовый вид авиационной техники, поэтому они должны быть рассчитаны на применение топлив, хорошо обеспеченных сырьевыми ресурсами и производственной базой. Чтобы получать от бортового запаса топлива, ограниченного емкостью баков и начальным полетным весом самолета, возможно больше энергии, топлива должны иметь высокую теплоту сгорания. Из массовых и дешевых видов нефтяных топлив этим требованиям лучше всего удовлетворяют керосины, выкипающие в пределах примерно 120-180⁰С. Кроме них применяют, особенно за рубежом, широкофракционные топлива – смеси керосина и бензина, выкипающие в пределах 60-280⁰С, и утяжеленные керосины с пределами выкипания 195-315⁰С для самолетов с большими сверхзвуковыми скоростями.

На заре развития реактивной авиации ее потребность в топливе полностью удовлетворялась топливом Т-1, получаемым из малосернистых нефтей; однако уже в 50-е годы возникла необходимость расширения производства реактивных топлив, что стало возможно при возлечении в переработку восточных сернистых нефтей. В результате было разработано топливо ТС-1.

На отечественных самолетах и вертолетах с ГТД почти всех типов применяются два сорта реактивных топлив типа керосина – топливо умеренной термостабильности марки ТС-1 и термостабильные марки РТ (рис. 12.4). Топливо ТС-1 непригодно только для небольшого числа типов самолетов с высокой скоростью или значительной продолжительностью сверхзвукового полета, а топлива РТ допущено на ЛА всех типов, в том числе и тех, которые рассчитаны на применение более тяжелых термостабильных топлив марок Т-6 или Т-8В, вырабатываемых в ограниченном количестве.

Рис. 12.4. Классификация реактивных топлив

Топлива ТС-1 и РТ имеют одинаковую норму плотности не менее 775 кг/м³ и мало различаются по остальным физическим свойствам, за исключением термостабильности и коррозионной активности. РТ в этом смысле лучше (рис. 12.5).

На всех типах самолетов, которые эксплуатируются на топливе ТС-1, до 80-х г.г. применялось также топливо Т-1 из бакинских и сахалинских малосернистых нефтей со значительным содержанием нафтеновых углеводородов и, благодаря этому, более высокой плотностью по сравнению с марками ТС-1 и РТ (по техническим нормам плотность при 20^оС не ниже 800 кг/м³, фактически 805-830кг/м³), а также хорошей смазочной способностью.

Существенные недостатки этого топлива – низкая термостабильность, выражающаяся в образовании твердых отложений в агрегатах топливной системы на сверхзвуковых самолетах, склонность к нагарообразованию и интенсивное излучение пламени. Ввиду этого и учитывая, что нефти, из которых получается это топливо в основном иссякли, поставка его авиации прекращена.

При эксплуатации тех типов сверхзвуковых самолетов, которые рассчитаны на применение только термостабильных топлив, марка РТ является наиболее доступной, хотя и не обеспечивает такой максимальной дальности и продолжительности полета, как топлива Т-6 и Т-8В.

Для обеспечения работоспособности топливных систем и предотвращения потерь топлива при интенсивном нагреве, свойственном сверхзвуковому полету, для топлива РТ установлено ограничение температуры начала кипения по нижнему пределу – не ниже 135^оС, но оно недостаточно в условиях длительного полета с числом М = 2,5-3. В связи с этим для самолетов с такими данными специально предназначены высококипящие топлива Т-6 и Т-8В.

Термостабильное топливо Т-8В с повышенной плотностью – не менее 800кг/м³ – получается примерно по такой же технологии как и топливо РТ, но из фракций с более высокой температурой начала кипения не ниже 165^оС. Термостабильное топливо Т-6 имеет наиболее высокую плотность из стандартных отечественных и зарубежных авиационных топлив – не менее 840кг/м³, а по диапазону температур выкипания близко к дизельному топливу (температура начала кипения не ниже 195^оС, выкипание 98% не выше 315^оС. Отсутствие коррозионно-активных веществ обеспечивает эффективное использование топливных емкостей ЛА, нормальную работу топливных систем при нагреве до 100-150^оС и выше. Высокая вязкость топлива Т-6 при отрицательных температурах не позволяет использовать его на тех двигателях, топливная аппаратура которых рассчитана на керосин обычной вязкости.

Рис. 12.5. Диапазон выкипания и пределы плотности отечественных (вверху) и

зарубежных (внизу) реактивных топлив (в «рамках» нормы, регламентируемые ГОСТ, ТУ и спецификациями)

Значительное увеличение выхода реактивного топлива из нефти (в 1,3-1,8 раза) может быть обеспечено расширением его фракционного состава за счет использования бензина. Одновременно достигается низкая температура начала кристаллизации (не выше –60^оС) при более высокой температуре конца кипения, чем для керосина из той же нефти, а также немного возрастает теплотворность. В качестве резервного для ряда двигателей предусмотрено топливо Т-2 широкого фракционного состава – смесь керосина с бензином, начало кипения которого не ниже 60^оС. По сравнению с керосинами оно имеет меньшую плотность – не ниже 755 кг/м³ и малую вязкость, худшие смазочные свойства и более высокое давление насыщенного пара, способствующие возникновению кавитации в топливной системе самолета. Вследствие недостатков топлива Т-2 оно допущено к применению не на всех типах ГТД, а для ряда двигателей при его использовании установлены сокращенные сроки службы топливных насосов. Для некоторых самолетов при работе на топливе Т-2 в случае высокой температуры топлива в жаркую погоду ограничена высота полета.

Применяемые в США и западноевропейских странах топлива для авиационных ГТД можно разбить на 4 группы: авиакеросины типа AVTUR, нелетучие авиакеросины типа AVCAT, термостабильные авиакеросины типа JP-6, JP-7 и широкофракционные топлива типа AVTAG.